La Collaborazione Uomo-Robot nella Fabbrica del futuro: nuove metodologie ed applicazioni - A&T

Premio Innovazione 4.0 -Tematica Interazione uomo-robot., A&T 2017, Torino.

    La Collaborazione Uomo–Robot nella Fabbrica del futuro: nuove
                      metodologie ed applicazioni

         Alessandro Zanellaa, Giorgio Pasquettaza, Fabio Torbazzib, Gian Paolo Geriob
a
 Centro Ricerche FIAT SCpA, WCM Research and Innovation, Orbassano (TO) - Italy; b Comau S.p.A, Robotics and Automation Products,
Grugliasco (TO) - Italy

Riassunto breve max 700 caratteri (ITA and ENG)
Le attuali postazioni di produzione sono concepite con criteri tradizionali; i nuovi robot collaborativi cambiano i criteri di
progettazione di postazioni e applicazioni. Si è studiata una metodologia per identificare le postazioni in cui l’uso dei criteri di
collaborazione uomo-robot è vantaggioso verso molteplici Parametri Chiave. Durante l’applicazione di tale metodologia sono
definiti ricorsivamente dettagli sempre maggiori fino a un concept design della cella. L’analisi, in cui è stato usato il robot
Comau AURA, ha portato alla selezione e al concept design di varie postazioni. Si presentano la metodologia ed il robot
AURA.

Current production workcells are designed on a traditional approach; nevertheless new collaborative robots modify design
criteria both of the application and the workcell. A methodology was studied to identify workcells in which Human Robot
Collaboration’s criteria can furnish advantages considering various Key Parameters. During the application of such a
methodology the application is detailed more and more recursively toward a simplified concept design. The analysis, in which
the new Robot AURA from COMAU was used, brought to the selection and concept design of various workcells. The
methodology and the AURA robot are introduced.

Versione più estesa dell’abstract (max 8.000 caratteri, spazi inclusi, e max 4 figure/tabelle:

  La Collaborazione Uomo Robot (HRC: Human Robot Collaboration) prospetta un importante impatto sulle future
modalità di produzione. Questo grazie a diversi fattori tra cui la possibilità di:
    -   integrare la forza, precisione e ripetibilità del robot con le doti cognitive (flessibilità, capacità
        d’improvvisazione e di problem-solving) e fisiche (destrezza e manipolazione) dell’operatore umano;
   - ridurre l’impatto ergonomico sull’operatore tramite l’utilizzo del robot per i lavori più pesanti
   - migliorare la qualità sfruttando la ripetibilità del robot
   - migliorare la produttività assegnando al robot le operazioni prive di valore aggiunto (ad esempio il trasporto)
   - abilitare gli operatori a ridotte capacità lavorative, e così via.
    Però si deve considerare che sia le normative di riferimento che le tecnologie sono recenti. Lo standard tecnico di
riferimento (ISO 10218-2:2011) è del 2011, ma esso stesso indica che “informazioni addizionali e linee guida sulle
operazioni con robot collaborativi saranno contenuti nella ISO/TS 15066”. La specifica tecnica ISO/TS 15066 è stata
pubblicata ad inizio 2016 e definisce i modi collaborativi permessi con i relativi limiti di forza e velocità permessi al
robot laddove applicabili. A seguito della pubblicazione di tali norme la commercializzazione dei primi robot
collaborativi è iniziata nel 2011 a partire da robot per bassi carichi (UR5, UR10, Kuka LWR IIWA…) fino ai più
nuovi e più forti Fanuc CR-35iA e COMAU Aura che è ad oggi il robot collaborativo col più alto playload.

A oggi il quadro normativo è completo e i robot disponibili per ogni carico utile. Molte applicazioni sono
continuamente lanciate e il mercato dei robot collaborativi è in crescita continua.
   Ciononostante la conoscenza della tecnologia e dei relativi standard di sicurezza non è ancora diffusa e si tende
spesso a pensare alla progettazione delle postazioni nei termini tradizionali di automazione. Il Centro Ricerche FIAT
e COMAU hanno lavorato allo sviluppo di strumenti per l’analisi e integrazione delle applicazioni collaborative e
allo sviluppo di nuovi robot collaborativi in sinergia con diversi progetti europei tra i quali il progetto ROBO-
PARTNER.
   La metodologia sviluppata ha lo scopo di individuare oggettivamente le applicazioni in cui l’utilizzo della HRC è
più fattibile e vantaggioso. La struttura della metodologia è suddivisa in due fasi principali:
  A-analisi delle celle che potrebbero trarre vantaggio dal HRC
  B-analisi delle celle in cui la HRC si applica meglio e con maggiori benefici.
  Nella prima fase sono raccolti dati descrittivi che sono quindi pesati secondo dei criteri di punteggio prestabiliti.
La raccolta dati è basata su parametri di performance delle postazioni normalmente monitorati e può essere svolta

senza la specifica conoscenza sulle applicazioni HRC.
  Le tipologie di parametri sono scelte in modo da rispondere a due domande:
       a) quale caratteristica dell’applicazione può trarre vantaggio dal HRC
       b) quale può inficiare l’applicazione della funzionalità HRC.
  I parametri derivano da:
       -    ergonomia e strumenti usati per migliorarla (l’HRC ha ottime possibilità di migliorare l’ergonomia degli
            operatori)
       -    posizione dell’operatore e spazi operativi (ingombri, spazi di fuga, sicurezza…)
       -    tipo di trasporto di linea (indicatore di complessità e potenziali criticità nell’automazione e nella
            sicurezza a causa di riferimenti spaziali variabili)

- analisi tempi (tempo ciclo, operazioni a non valore aggiunto…)
       - logistica (dimensione, peso e forma delle parti, possibilità di trasporto dei contenitori...)
   Ai parametri sono assegnati dei valori e ne è fatta una prima selezione. Nella fase B è richiesta la conoscenza del
HRC in generale perché è necessario ipotizzare la cella cooperativa e quantificarne caratteristiche, requisiti
tecnologici e prestazionali; inoltre molti parametri sono quantificati a fronte d’ipotesi precise di lavoro.
  I parametri analizzati sono raggruppati in KP (Key Parameters) con un punteggio assegnato:
   - Complessità tecnologica
         comporta costi, affidabilità e complessità manutentiva oltre alla difficoltà di realizzazione e certificazione
         del risk assessment richiesto dalla normativa; analizza parametri tipo sensoristica, attuazioni accessorie,
         architettura e complessità software…
   - Rilevanza del HRC
         basata sulla normativa ISO e indica quanto l’applicazione ne sfrutta appieno i metodi: ad esempio
         un’applicazione che svolge solo fasi di Hand Guiding può essere realizzata con un manipolatore, ma
         insieme a fasi automatiche in SSM (Speed Separation Monitoring) è realizzabile solo con robot
         collaborativi.
   - Ergonomia e Safety
         considerazioni su ergonomia e sicurezza
   - Interfaccia logistica
         completa la valutazione della difficoltà d’integrazione nel processo di linea.
   - Indicatore di costi/benefici
         fa sia una valutazione forfettaria di costi e benefici economici sia di parametri produttivi che sono valutati
         soprattutto sulla base dell’applicazione di un’analisi MTM (Method Time Measurement) modificata in

            modo da considerare l’interazione tra il robot e l’operatore. Da quest’analisi si valutano aspetti come le
            attività a non valore aggiunto, i modi d’interazione tra uomo e robot, la necessità di scambi
            d’informazione tra il robot e l’operatore, la relativa tipologia d’interfaccia uomo-macchina e molte altre.
   Da questi KP si ha una classifica delle applicazioni. L’analisi è reiterata approfondendo sempre di più alcuni
aspetti di volta in volta su un numero sempre minore di celle candidate.
   L’applicazione di tale metodologia ha portato a identificare diverse celle adatte all’utilizzo della HRC. In molte
applicazioni, sono stati ipotizzati i nuovi robot collaborativi AURA di COMAU che, a oggi, presentano due
caratteristiche specifiche e uniche:
    1. la più alta capacità di carico disponibile sul mercato (110-170 kg)
    2. la pelle sensibile adattabile ad un robot industriale standard rendendolo collaborativo

Il concetto di base di AURA è quello di unire il beneficio di un robot industriale standard (velocità, ripetibilità e
accuratezza) a una pelle sensibile che permette la collaborazione uomo macchina.
Nella modalità standard di funzionamento, AURA svolge le operazioni ad esso impartite alla sua massima velocità
per minimizzare il tempo ciclo; nel momento in cui l’operatore entra nello spazio operativo del robot per effettuare
verifiche, oppure utilizzarlo per svolgere attività di collaborazione (es. montaggio), questo cambia modalità
operativa diminuendo la sua velocità e iniziando la fase collaborativa.
Nella fase collaborativa AURA è sensibile all’uomo grazie a due sensori differenti: uno capacitivo, l’altro
piezoelettrico. AURA è in grado di collaborare con l’uomo:
     • portandogli dei pezzi,
     • montando con lui degli oggetti meccanici/elettrici
     • smontando delle parti, ecc…
Il robot collaborativo sentirà la presenza dell’uomo già a pochi centimetri dalla sua pelle, diminuendo ulteriormente
la sua velocità oppure arrestandosi in modo gentile per alcuni istanti. Al tocco della pelle il robot collaborativo si
fermerà per poi riprendere automaticamente il suo lavoro. Qualora il tocco dell’utente sia più forte allora AURA si
arresta immediatamente ed aspette un segnale di RESET per ripartire. Sono molteplici le combinazioni di fermata e
collaborazione che si possono definire con AURA, questo introduce un concetto fondamentale quando si parla di
robot collaborativi: l’applicazione collaborativa. Con la collaborazione Uomo Robot diventa, infatti, sempre più
importante la visione d’insieme della cella:
     • il robot collaborativo
     • il gripper collaborativo
     • le operazioni Uomo macchina condivise
     • gli spazi della cella
Ed è per questo quindi che nella valutazione dell’ergonomia della cella collaborativa si vanno definendo opportuni
KPI per permettere di valutarne la sicurezza d’insieme.

In AURA sono ben definite le modalità operative ossia gli stati della medesima macchina in modo che l’operatore,
con sicurezza e chiarezza, possa passare da uno stato di collaborazione all’altro.